С.О.СЛЫШЕНКОВ, инж. (НИИЖБ), Хладостойкая арматура для железобетонных конструкций
Железобетонные конструкции и их основной элемент - арматура зачастую оказываются в экстремальных условиях эксплуатации в результате сочетания низких климатических температур, нагрузок динамического характера и нарушений технологии изготовления (строительного брака).
Сочетание низкой температуры и нагрузок динамического характера природного или техногенного происхождения является одним из основных факторов повышения вероятности хрупких разрушений стали, в том числе арматурного проката.
В качестве проката повышенной надежности известна арматура класса Ас-ll из стали марки 10ГТ поГОСТ 5781.
В настоящее время роль хладостойкой выполняет только арматура класса А400 (А-Ill) из стали 25Г2С (и приравненная к ней арматура классов А400С и А500С с содержанием углерода не больше 0,22%). Эти стали могут применяться при действии динамической нагрузки при температуре не ниже 40°С со сварными стыками и без сварки (в вязанных каркасах и сетках) при температуре не ниже 55°С.
Создалась парадоксальная ситуация: в стране с огромными районами сурового климата (с расчетными температурами порядка минус 70°С) отсутствует хладостойкая арматура со свойствами, отвечающими всем современным требованиям при любой отрицательной климатической температуре.
Для применения в северных и восточных районах страны необходимо иметь современный арматурный прокат наиболее массового использования класса А500С с возможностью применения его без ограничений до температуры минус 70°С, в том числе с применением сварки.
Для решения поставленной задачи были разработаны требования к хладостойкой стали, проведены экспериментальные исследования изменчивости свойств термомеханически упрочненной арматуры под влиянием отрицательных температур.
Представляется очевидным предъявлять к арматуре, предлагаемой для вышеназванных условий, специальные требования и, по аналогии со стальными конструкциями и ранее применявшейся арматурной класса Ас-ll из стали 10ГТ, идентифицировать ее в качестве хладостойкой арматуры ( «северного исполнения») класса Ас-500С.
Нами разработан следующий комплекс дополнительных требований к хладостойкой арматуре:
1) Требования к ударной вязкости (причем, согласно международной практике, на основе испытаний образцов с острым (V-образным) концентратором) с браковочным значением 30 Дж/см2.
2) Уменьшение, а для ряда способов сварки исключение разупрочнения, а также существенное снижение вероятности хрупких разрушений сварных соединений при низких отрицательных температурах.
3) Введение дополнительных испытаний на пластический изгиб образцов сварных крестообразных соединений ручной дуговой сваркой. Браковочная величина угла 90°.
4) Введение требований по величине равномерных удлинений после разрыва с браковочной величиной 5р > 5%.
5) Ограничение максимального значения временного сопротивления стали величиной 700 Н/мм2.
Характеристики механических свойств арматурных сталей при нормальной и отрицательной температурах определяли при растяжении образцов 012; 25; 36 и 40мм по ГОСТ 12004 с определением временного сопротивления ов, предела текучести ат, относительного удлинения 5р и 65, а условных пределов упругости ст0 02 и а0 о5. длины площадки текучести 1т - только при температуре +20°С.
Для обеспечения требуемой температуры испытания, за которую принимали температуру образцов в момент их установки в захваты испытательной машины, образцы переохлаждались. Степень переохлаждения обеспечивала требуемую температуру испытаний -70°С. Время испытания одного образца - от момента его извлечения из термостата до разрыва - составляло не более 60 с.
Результаты испытаний (средние значения), приведенные в таблице, показали, что понижение температуры сопровождается ростом прочности металла (тв и ат). Абсолютные значения характеристики прочности ов с понижением температуры до -70°С возрастают на 65-100МПа. Относительное удлинение 5_ с понижением температуры до -70°С для термомеханически упрочненных сталей увеличивается на 10-30%, а о5 на 0-20% по всем диаметрам, исключение - диаметры 12 и 25 мм, сталь марки ЗГпс. Для горячекатаной арматурной стали значения характеристик пластичности снижаются: 5р на 1- 28% и б5 на 0-9%.
Увеличение относительного удлинения при понижении температуры в климатическом диапазоне до -70°С у термомеханически упрочненных сталей, в отличие от горячекатаной стали, объясняется различной структурой и субструктурой материалов, плотностью и характером распределения несовершенств строения кристаллической решетки, в первую очередь, дислокаций [1].
Особенностью термомеханически упрочненной арматурной стали является такая дислокационная структура, в которой при упрочнении из-за торможения дислокаций в связи с понижением температуры субграницы способны пропускать через себя дислокации. Тело зерна разделено на мельчайшие равноосные субзерна с малоугловатыми субграницами, представляющие собой плоские сетки дислокаций, т.е., в отличие от хаотического движения дислокаций в кристаллической решетке горячекатаной стали, движение дислокаций в кристаллической решетке термомеханически упрочненной арматурной стали является направленным [1]. Этим объясняется отсутствие снижения относительного удлинения при температуре -70°С с увеличением прочности.
Термомеханически упрочненные стали по степени сохранения способности к равномерному пластическому деформированию при понижении температуры в климатическом диапазоне превосходят горячекатаные.
Зависимость в значениях сужения сталей не установлена. С понижением температуры до -70°С сужение в месте образования шейки изменяется незначительно. Наибольшим относительным сужением обладает термомеханически упрочненная сталь марки Зсп.
Оценку чувствительности стали к хрупким разрушениям под влиянием низких температур определяли испытаниями на ударный изгиб по ГОСТ 9454 в диапазоне климатических температур от +20 до - 70°С на образцах 1 и 11 по ГОСТ 9454, соответствующих международной практике. Испытаниям на ударный изгиб подвергались образцы из сталей, указанных в таблице.
Из результатов испытаний (рис.1) видно, что влияние на склонность к хрупкому разрушению оказывает степень раскисления стали. Спокойная сталь с большей степенью раскисления менее склонна к хрупкому разрушению. Кроме этого, на ударную вязкость оказывает влияние содержание углерода. Увеличение содержания углерода в стали приводит к снижению ударной вязкости и повышению критической температуры хладноломкости. За критическую 18Г2С (тмо); 0 -ЗГпс (тмо) Северсталь; температуру хладноломкости принимали температуру, при которой хотя бы один образец имеет ударную вязкость ниже 20 Дж/см2 [2].
Стоит отметить, что повышение содержания марганца до 1,5% повышает ударную вязкость стали и понижает температуру перехода ее в хрупкое состояние. Благотворное влияние марганца (при содержании 1,0-1,5%) на понижение склонности стали к хрупкому разрушению объясняется уменьшением величины зерна [3,4,5].
Характерно, что термомеханическое упрочнение в процессе проката положительно влияет на ударную вязкость и критическую температуру хрупкости, изменяя форму и распределение структурных составляющих ва-растворе. Это указывает на то, что чувствительность стали к хрупким разрушениям определяется не только химическим составом, но и ее структурным состоянием. При термомеханическом упрочнении происходит уменьшение величины зерна и повышение однородности распределения в зерне субмикроскопических частиц [1], что является одним из основных факторов, снижающих температуру хрупкости и повышающих ударную вязкость стали.
Метод определения склонности стали к хрупким разрушениям на стандартных образцах 1 и 11 по ГОСТ 9454 не позволяет установить критическую температуру хрупкости соответствующей условиям разрушения арматурных стержней, так как в применяемых образцах отсутствует соответствие размерам и условиям работы элемента, находящегося в реальной конструкции.
Условность испытаний преодолевается использованием нестандартного образца ЦНИПС [2] с сохранением натурной поверхности арматурного проката и присущих ему особенностей, влияющих на его работу при динамических нагрузках (рис.2). Результаты испытаний образцов ЦНИПС приведены на рис.З.
Необходимо отметить, что температура порога хладноломкости испытанных сталей на образцах ЦНИПС снижается, по сравнению с установленной на стандартных образцах.
Испытаниями образцов ЦНИПС также установлено положительное влияние термомеханического упрочнения в процессе проката на ударную вязкость стали. Из зависимости рис. 3 отчетливо видно превосходство термомеханически упрочненной арматурной стали над горячекатаной для диаметров от 10 до 40 мм.
Для малых диаметров (10-16 мм) термомеханически упрочненной арматурной стали не обнаружено влияние химического состава на ударную вязкость и температуру хрупкости. С увеличением диаметра, начиная с 18 мм, лучшими показателями ударной вязкости обладают спокойные стали. С увеличением диаметра прослеживается монотонное снижение ударной вязкости как у термомеханически упрочненных, так и у горячекатаных сталей.Таким образом, среди исследованных марок термомеханически упрочненной стали наилучшими показателями по отсутствию хрупких разрушений при отрицательной температуре являются следующие марки: для арматуры диаметром 12 мм - СтЗсп, 25 мм
- СтЗГсп, 36 мм - 18Г2С.
В целом результаты настоящих исследований при низких отрицательных температурах, с учетом предыдущих исследований и накопленного опыта применения арматуры, позволяют рекомендовать в качестве хладостойкой («северного исполнения») арматуру со следующими характеристиками:
- низкоуглеродистая;
- высокой степени раскисления (спокойная);
- марганецсодержащая (1,0- 1.5%);
- термомеханически упрочненная.
Для термомеханически упрочненной хладостойкой арматуры класса Ас500С рекомендуем следующие марки стали:
для диаметров 10-18 мм - СтЗсп;
для диаметров 20-28 мм - СтЗГсп;
для диаметров 32-40 мм - 18Г2С.
Бетон и железобетон, 2007 №3